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== '''关键词''' ==
树莓派、Raspberry Pi Zero、Zero W、Zero WH、Zero 2 W、Cat1 4G LTE、GPS、GNSS、USB2.0-A、以太网、扩展板、USB HUB 集线器

== '''一、简介''' ==
树莓派Zero系列（包括Zero、Zero W(H)以及Zero 2 W）是一款具备极高性价比的嵌入式系统平台，尺寸小巧功耗较低性能尚可，适合很多轻量型应用场景。Zero系列虽然小巧，但预留了非常多的扩展接口，特别是板子反面引出了USB和电源的镀金测试点，我们可以借助这两组USB和电源测试点进行多种类型的外设扩展。本扩展板实际就是一个USB HUB集线器，通过顶针将扩展板和Zero的USB口连接起来，用USB扩展四路USB口，其中一路USB转百兆有线以太网，一路USB接4G Cat1模组带GPS功能以及两路USB2.0-A主机接口。所有外设接口在树莓派官方OS均免驱，即插即用，自动识别。

4G Cat1是针对10Mbps左右的低速物联网应用的高性价比模组，10Mbps下行5Mbps上行的速率可以满足绝大多数联网和传输需求；4G全网通,支持联通,电信和移动。

== '''二、硬件资源''' ==
2.1 创新性采用镀金顶针和树莓派Zero系列进行连接，实现通讯和供电，免去外接线缆；

2.2 USB-C供电接口，可通过此接口给整个系统供电，也可以用Zero上的MicroUSB口供电（二选一使用）；

2.3 两路USB-A 高速主机接口；

2.4 一路USB转10/100Mbps以太网；

2.5 一路4G LTE Cat1带有GPS功能，免驱免拨号；

2.6 一路Nano SIM卡座；

2.7  板载4G SMA天线座，同时预留IPEX一代接口；

2.8 一个IPEX 1代 GPS接口，GPS需要是无源天线；

2.9三盏LED灯，分别为PWR/MODE/ACT指示灯；

2.10 一路4G复位按键；

2.11 可支持具有相同位置USB触点的国产派，如香橙派Zero 2 W；

2.12 可选全铝合金外壳；

2.13  PCB板沉金工艺，无铅生产，板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0；

注意1：连接了此扩展板后Zero上的MicroUSB将不可使用。

注意2：部分系统下需要禁用OTG功能并将USB模式设置为Host模式。

注意3：支持树莓派Zero所有版本，包括Zero、Zero W、Zero WH和Zero 2 W。

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== '''三、树莓派OS的使用'''  ==
本文档使用基于树莓派Zero 2 W的硬件。

树莓派OS，Raspberry Pi OS with desktop，镜像为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz（。

(若使用树莓派Zero一代系列的板子，只支持32位系统，请注意下载版本。)

树莓派OS下载地址：

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

=== 3.1 查看硬件设备 ===

==== 3.1.1 查看USB设备 ====
打开树莓派OS的终端，输入命令<code>lsusb</code>，如下图所示：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_01.jpg

可以看到系统识别到了USB HUB和4G模组。其中：

Device 002：外挂USB Hub；

Device 003：4G模组；

Device 004：USB转百兆网卡；

Device 005：USB2.0-A接口；

Device 006：USB2.0-A接口。

如果系统卡在树莓派logo处无法启动：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_58.jpg

或者启动后键盘鼠标及4G模组都无法使用，请仔细观察顶针是否对准了镀金触点，并请在PC端打开TF卡系统分区根目录下的config.txt检查USB的初始化脚本：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_41.jpg

需要确认下图中的三处红框的位置是否都配置成完全，如果没有，请手动添加完整并保存文件：

<code># otg_mode=1</code>（建议按此注释掉）

<code>dtoverlay=dwc2,dr_mode=host</code>（两处必须确保加上）

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_57.jpg

==== 3.1.2 查看网络设备 ====
打开树莓派OS的终端，输入命令<code>ifconfig -a</code>，如下图所示：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_02.jpg

可以看到eth0为4G Cat1（上图中IP地址默认为192.168.5.8），eth1为为USB转以太网。

'''''注：本扩展板的4G Cat1模块初始化速度较快，且连接在USB Hub芯片的第一个端口，所以在网络名称的分配上，4G Cat1模块为eth0，而USB转以太网为eth1。'''''

=== 3.2 测试网络设备 ===

==== 3.2.1 ping包测试 ====
测试的时候有优先级，如果eth0已连接则优先走eth0。如有内外网特殊优先级需要请调整各网络的metric值以及DNS服务器设置。

可以用-I参数指定从哪个网卡开始ping包，如下所示：

<code>ping www.mcuzone.com -I eth0</code>

<code>ping www.mcuzone.com -I eth1</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_03.jpg

优先级可以通过可以执行<code>route</code>命令来查看，哪个网卡的metric值小就从优先从哪个网卡通讯。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_04.jpg

我们也可以通过关闭某个网卡，达到强制指定通过另一个网络进行通讯，如需关闭eth0，可执行下面的命令：

<code>sudo ifconfig eth0 down</code>

以及通过执行下面的命令来开启eth0：

<code>sudo ifconfig eth0 up</code>

==== 3.2.2 设置网卡优先级与指定DNS服务器 ====
关于该部分的知识，可参阅以下链接：

[[1001 RPi0 4G Cat1-ETH（百兆网络 4G Cat1 USB2.0-A 485版本可选）#4.2.2 网卡优先级的设置|1. 设置网卡优先级]]

[[1001 RPi0 4G Cat1-ETH（百兆网络 4G Cat1 USB2.0-A 485版本可选）#4.2.3 利用udhcpc指定DNS服务器|2. 利用udhcpc指定DNS服务器]]

[[1001 RPi0 4G Cat1-ETH（百兆网络 4G Cat1 USB2.0-A 485版本可选）#4.2.4 udhcpc应用场景举例|3. udhcpc应用场景举例]]

建议通过udhcpc软件，而不是编辑resolv.conf文件来指定DNS服务器，这样会比较稳定。

==== 3.2.3 iperf3测速 ====
Windows版iperf3下载：

http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000634

Linux下iperf3安装：

<code>sudo apt-get install iperf3</code>

百兆以太网测速结果，client模式75Mbps左右，server模式94Mbps左右：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_05.jpg

'''''注意：USB转百兆有线受Zero 2 W性能和USB Hub以及4G Cat1带宽占用影响并不能跑满，请知悉。'''''

4G CAT1的测速结果如下：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_66.jpg

'''''注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。'''''

=== 3.3 AT命令演示 ===

==== 3.3.1 打开AT命令串口方法 ====
在树莓派下要对4G进行AT命令操作，首先要打开AT命令串口,打开方法如下：

首先打开ttyUSB串口：

输入命令<code>lsusb</code>，如下图所示：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_07.jpg

记下4G模块的ID值：1782 4e00

使用下列命令打开ttyUSB串口，其中echo后面的值就是上面记录的ID值：

<code>sudo modprobe option</code>

<code>sudo sh -c 'echo 1782 4e00 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_12.jpg

执行以上两条命令后系统应该会多出ttyUSB0-2三个设备。

然后用串口工具打开相应串口：

下载minicom工具：

<code>sudo apt-get install minicom</code>

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通过minicom打开AT命令串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB0</code>

或

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_14.jpg

然后直接键入AT命令，回车可以看到结果，如果需要查看回显，请键入命令：<code>ate1</code>。

==== 3.3.2 常用AT命令 ====
1) 检查SIM卡是否识别到：

<code>at+cpin?</code>

返回ready表示卡已识别，返回error要检查硬件

2) 检查天线信号质量：

<code>at+csq</code>

返回值在26-31表示信号OK，信号满格31；返回值在20-25表示信号勉勉强强；返回值在20以下表示信号比较糟糕或者天线没接

3) 检查注网情况：

<code>at+cops?</code>

正常应该返回运营商代码和7，7代表4G

注意，以上命令只有<code>at+csq</code>不要加问号，另外两条命令需要加问号。

4) 查看4G模块的IMEI码：

<code>at+cgsn</code>

5) 重启4G模块（有时候如果重插SIM卡，热插拔不一定管用，可以用这个reset命令来复位模块）：

<code>at+reset</code>

6) 关闭射频：

<code>at+cfun=0</code>

开启射频：

<code>at+cfun=1</code>

上述两条命令成对使用，可以在不重启4G模组的情况下让模组重新注网。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_15.jpg

==== 3.3.3 GPS测试 ====
使用GPS时，默认采用'''''无源GPS天线'''''，，且确保GPS天线甩出户外。

注意：部分无源GPS天线对保护用的TVS管的寄生电容较为敏感，如果无法定位卫星需要将TVS拆除重试（如图）。如果要使用有源天线需要把电容C43更换为0R电阻。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_11.jpg

运行minicom，打开ttyUSB1串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

并运行：

<code>AT+CGNSPWR=1</code> //打开GPS

<code>AT+CGNSAID=31,1,1,1</code> //使能位置辅助定位（指令立即返回OK，根据信号强度，大概2-10秒左右会定位成功）

<code>AT+CGNSURC=1</code> //设置定位信息自动上报

运行成功后就可以看到该串口有GPS信息输出，稍等片刻即可定位：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_10a.jpg

== '''四、Ubuntu Server的使用''' ==
本文档使用基于树莓派Zero 2 W的硬件，

Ubuntu系统，Ubuntu Server 24.04 LTS服务器版（树莓派Zero 2 W因为性能关系不能用Desktop版）。

镜像为ubuntu-24.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz

Ubuntu系统下载地址：

https://ubuntu.com/download/raspberry-pi

=== 4.1 编辑初始化脚本 ===
Ubuntu Server烧写完毕后，请在PC端打开TF卡系统分区根目录下的config.txt检查USB的初始化脚本，Ubuntu Server对USB初始化了两遍，前面一遍没有配置成host模式，需要确认下图中的红框的位置是否配置成完全，如果没有，请手动添加完整：

<code>dtoverlay=dwc2,dr_mode=host</code>

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http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_74.jpg

=== 4.2 配置用户名和密码 ===
第一次启动系统会要求登录，用户名和密码均为ubuntu，登录成功后会要求修改密码。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_31.jpg

修改完毕后就自动进入系统。

=== 4.3 查看网络 ===
Ubuntu Server系统出于安全考虑，有非常多的限制，默认很多服务器和组件也都是关闭状态；基于树莓派zero的系统，网络接口全被关闭的，所以系统启动后并无网络可用，需要进行开启设置后才能使用。

'''''注意，系统默认并没有集成ifconfig工具，只有ip命令可用。'''''

执行<code>ip addr</code>查看并记录下网卡名称：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_33.jpg

其中2号网卡（enx00e0996df1cd）为USB转百兆网卡，3号网卡（enxac4bb3b9ebe5）为4G模组。

然后运行下面的命令，打开网卡配置文件：

<code>sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml</code>

按照下图编辑网卡配置文件：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_34.jpg

保存退出，然后重启。

重启后即可联网，安装net-tools工具以便于使用：

<code>sudo apt install net-tools</code>

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=== 4.4 4G模组测试 ===
执行命令<code>ifconfig -a</code>，查看网卡信息：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_36.jpg

可见第一块网卡为USB转百兆网卡，第二块网卡为4G模组。

通过使用-I参数，在ping包时加上网卡名称，可指定哪块网卡进行ping包。通过这两块网卡对腾讯的网站的ping包测试可知，第二块网卡即4G模组支持ipv6：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_37.jpg

=== 4.5 AT命令交互测试 ===
安装minicom工具：

<code>sudo apt-get install minicom</code>

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然后和树莓派OS一样，通过minicom打开AT命令串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB0</code>

或

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_39.jpg

即可使用常见AT命令进行交互：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_40.jpg

=== 4.6 GPS测试 ===
使用GPS时，默认采用'''''无源GPS天线'''''，，且确保GPS天线甩出户外。

注意：部分无源GPS天线对保护用的TVS管的寄生电容较为敏感，如果无法定位卫星需要将TVS拆除重试（如图）。如果要使用有源天线需要把电容C43更换为0R电阻。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_11.jpg

运行minicom，打开ttyUSB1串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

并运行：

<code>AT+CGNSPWR=1</code> //打开GPS

<code>AT+CGNSAID=31,1,1,1</code> //使能位置辅助定位（指令立即返回OK，根据信号强度，大概2-10秒左右会定位成功）

<code>AT+CGNSURC=1</code> //设置定位信息自动上报

运行成功后就可以看到该串口有GPS信息输出，稍等片刻即可定位：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_09a.jpg

== '''五、OpenWrt系统的使用''' ==
此扩展板搭配树莓派Zero 2 W，在OpenWrt系统下可配置为一进一出的交换机模式，扩展板上的4G可作为WAN口（直接4G上网），网口配置为LAN口，用于连接PC。

本文使用的OpenWrt系统为：openwrt-bcm27xx-bcm2709-rpi-2-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz

=== 5.1 登录系统 ===
扩展板的网口连接至PC网口，系统启动后，我们在Windows设置中找到网络和Internet，在以太网中打开连接的网络查看默认网关的IP地址，这个地址就是OpenWrt系统的后台配置页面地址，如图所示，本文测试的地址为192.168.198.1：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_21.jpg

然后打开网页浏览器输入192.168.198.1进入OpenWrt系统。默认用户名为root，默认密码为password。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_22.jpg

=== 5.2 查看4G模块状态 ===
点击“系统 - TTYD终端”，登录TTYD终端，默认用户名为<code>root</code>，默认密码为<code>password</code>。

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执行ip addr，显示如下：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_18.jpg

可见eth1已经获得了IP地址（192.168.5.8），因为扩展板本身的IP地址是192.168.198.1，所以eth1即为4G模块。

此时ping公网IP和域名，都成功：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_19.jpg

说明4G模块工作正常。

点击“网络 - 接口”，也可以看到eth1已经获取了IP：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_20.jpg

=== 5.3 测试4G模块网速 ===
在PC端打开<nowiki/>https://www.speedtest.cn/<nowiki/>进行测速，此时流量走的是4G模块，测试结果如下：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_66.jpg

'''''注意：4G网络测速受网络信号和测试方法影响，速度请以实际为准。'''''

=== 5.4 挂载U盘及文件操作 ===
将U盘插入USB口，则在“系统 - 磁盘管理”中直接可以看到该U盘的信息及挂载情况：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_23.jpg

在“系统 - 挂载点”中可以看到各个挂载点的情况，也可以在此页面对其进行配置。

在“网络存储 - 文件助手”中，可以对系统中的文件进行操作。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_24.jpg

== '''六、扩展板选型表''' ==
http://www.mcuzone.com/wiki/1006_RPi0_4G_MiniPCIe/1006_RPi0_4G_MiniPCIe_64.jpg
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